Определение прочностных и пластических характеристик конструкционных материалов при испытании на растяжение.

Цель работы.

Изучить поведение материала под действием внешнего нагружения, что позволит определить его механические свойства, а также допустимые пределы нагрузки для каждого конкретного материала. По полученным данным возможно произвести сопоставимую оценку различных материалов. Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин и конструкций.

Теоретическая часть и описание экспериментальной установки.

К механическим свойствам материала относится прочность, характеризующая сопротивление материала деформации и разрушению, и пластичность, характеризующая способность материала к остаточной деформации без разрушения. Прочностные и пластические характеристики конструкционных материалов определяются при статических испытаниях на растяжение, при которых прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно.

При этих испытаниях применяют образцы цилиндрические или плоские с прямоугольным поперечным сечением (рисунок 1).

Рисунок 1. Стандартные цилиндрический (а) и плоский (б) образцы для испытания на растяжение h – длина головки, при помощи которой образец закрепляется в захват машины; L₀ – начальная расчетная длина образца; d₀ – начальный диаметр рабочей части цилиндрического образца; а₀ – начальная толщина рабочей поверхности плоского образца; b₀ – начальная ширина рабочей части плоского образца; R – радиус закругления переходной зоны; L – общая длина образца.

Машины для испытания на растяжение имеют приспособление, которое автоматически вычерчивают диаграмму зависимости между нагрузкой Р приложенной к образцу, и полученным удлинением L. На рис. 2 представлен ряд диаграмм, относящихся к углеродистой стали при различном процентном содержании углерода. На этих диаграммах видно, что увеличение содержания углерода повышает сопротивление разрыву стали, но одновременно с этим удлинение при разрыве падает, т.е. сталь с высоким содержанием углерода является менее пластичной.

Рис. 2 Диаграммы растяжения для сталей с различным содержанием углерода

На диаграмме растяжения, рис. 3, по вертикальной оси отложены величины нагрузок Р, Н, а по горизонтальной оси – величины абсолютных удлинений образца L, мм.

Как видно на диаграмме до точки А (Р _пц) удлинение прямо пропорционально нагрузкам. Нагрузка, соответствующая точке Р _пц, называется нагрузкой предела пропорциональности. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости Е материала, определяющий жесткость материала. Физический смысл модуля упругости заключается в том, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации, т.е. смещению атомов из положения равновесия в кристаллической решетке и определяется силами межатомной связи.

При дальнейшем повышении нагрузки происходит нарушение пропорциональности между напряжением и удлинением в результате возникновения остаточных удлинений. Выше Р _пц начинается значительное отклонение кривой, которая затем переходит в горизонтальную линию, что характеризует увеличение удлинения образца без возрастания нагрузки. Материал как бы течет, поэтому нагрузка, соответствующая горизонтальному участку БВ на кривой, называется нагрузкой Р_к соответствующей физическому пределу текучести. Если при растяжении образца не образуется горизонтальной площадки, то за нагрузку Р соответствующую условному пределу текучести, принимают ту нагрузку, которая вызывает остаточное удлинение, равное 0,2% расчетной длины образца.

Рис. 3 Диаграмма растяжения в координатах нагрузка Р (Н) – удлинение L (мм)

Образование площадки текучести при Р_т связывают с закреплением дислокаций примесными атомами внедрения. Дальнейшее повышение нагрузки (кривая ВГ) вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла.

Наибольшая нагрузка Р_в, предшествующая разрушению образца, соответствует пределу прочности (временному сопротивлению). Далее в образце начинает образовываться шейка (местное уменьшение сечения образца) и нагрузка в связи с этим понижается. В результате множественного скольжения и пересечения дислокаций в шейке образуется высокая плотность вакансий, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения и при нагрузке, соответствующей точке Р_к (точка Д), происходит разрыв образца.

Предел прочности при растяжении σ_в Па, определяют по формуле.

,

где F₀ – площадь поперечного сечения образцов:

у цилиндрических – , у плоских – ,

Предел текучести (физический) σ_т Па, при явно выраженной площадке текучести определяют по формуле:

,

Если на диаграмме растяжения нет площадки текучести, то можно определить нагрузку Р_0.2 условного предела текучести, для чего надо провести прямую ОА, совпадающую с прямолинейным участком кривой растяжения. Через точку О провести ось ординат ОР. От точки О вправо отложить отрезок ОВ, равный 0,2 % от начальной длины образца L₀. Из точки В провести прямую ВС параллельную прямой ОА. Точка Д пересечения прямой ВС с кривой растяжения определит высоту ординаты, т.е. нагрузку Р_0.2, соответствующую условному пределу текучести σ_0.2 Па, который определяют по формуле:

,

Рисунок 4. Определение по диаграмме растяжения нагрузки, соответствующей физическому и условному пределам текучести

При испытании на растяжение определяют характеристики пластичности.

К ним относятся относительное удлинение δ:

и относительное сужение ψ:

где L_К и F_К – длина и площадь поперечного сечения образца после разрушения.

Для определения L_К и F_К обе части образца после разрыва плотно прикладывают друг к другу и измеряют расстояние L_К между рисками, ограничивающими расчетную длину образца, а также измеряют диаметр d_К в месте разрыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях и по среднему арифметическому вычисляют площадь F_К. Чтобы получить площадь F_К в месте разрыва плоского образца, надо измерить в месте разрыва наименьшую толщину n и наибольшую ширину m образца, и перемножить.

Конструкционные стали принято считать надежными при δ ³ 15% и ψ ³ 45%.

Полученные при испытаниях прочностные показатели используются при расчете конструкций на прочность. Расчет производится по допускаемым напряжениям [σ], которые учитывает коэффициент запаса прочности n. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести.

[σ]= σ_0,2 / n_Т, где n_Т = 1,5

Для квазихрупких материалов за предельное напряжение принимают временное сопротивление

[σ]= σ_В / n_В, где n_В = 1,5

Эти допускаемые напряжения используются при статическом нагружении.

При циклическом и длительном статическом нагружении выбор номинальных эксплуатационных напряжений производится с введением коэффициентов запаса по пределам длительной прочности n_Д и ползучести n_П.

Порядок проведения лабораторной работы.

Для определения механических свойств конструкционной стали следует провести испытание образца на разрывной машине с построением диаграммы растяжения или использовать готовые материалы, выданные преподавателем.

Используя диаграмму необходимо рассчитать:

– предел текучести – σ_Т (σ_0,2);

– предел прочности – σ_В;

– относительное удлинение – δ;

– относительное сужение – ψ.

По полученным показателям необходимо рассчитать допускаемые напряжение, которые в последствии используются при расчете конструкции на прочность.

Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы.

1. Как изменяется диаграмма растяжения при изменении содержания углерода в сплавах?

2. Что такое условный предел текучести?

3. Какими показателями характеризуется пластичность материала?

4. Какими показателями характеризуется прочность материала?

5. Какие коэффициенты запаса используются при расчете конструкций?

Дата добавления: 2015-07-25